Название:	Физическая химия процессов зародышеобразования - научная основа создания наноструктурированных материалов: получение оксидных мультифункциональных наночастиц и нанокомпозитов
Грантодатель:	Гранты РНФ
Область знаний:	03 - Химия и науки о материалах
Научная дисциплина:	03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые слова:	нуклеация, критические зародыши, неавтономное состояние вещества, наночастицы, оксиды, ферриты, мультиферроики, перовскиты, нанотубулярные структуры, композиты
Тип:	исследовательский
Руководитель(и):	Гусаров,ВВ
Подразделения:	лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА)
Код проекта:	16-13-10252; 19-13-13024
Финансирование 2016-19 г.:	18 000 000
Финансирование 2020 г.:	12 000 000
Исполнители:	Альмяшева,ОВ: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Ломанова,НА: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Тугова,ЕА: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Проскурина,ОВ: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Красилин,АА: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Попков,ВИ: лаб. материалов и процессов водородной энергетики (Попкова,ВИ) Храпова,ЕК: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Карпов,ОН: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Свинолупова,АС: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Масленникова,ТП: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА) Ломакин,МС: лаб. новых неорганических материалов (Красилина,АА)

Аннотация

Прогресс химической технологии новых наноструктурированных материалов тесно связан с развитием понимания физико-химических основ их формирования. Настоящий проект направлен на развитие этой взаимосвязи в области получения новых оксидных наноструктур различного состава и морфологии, материалов и композитов с различными функциональными свойствами. В рамках этой задачи ожидается обнаружение новых физико-химических эффектов, которые внесут значительный вклад в развитие фундаментальной базы наноматериалов. В качестве основных объектов исследования будут выступать сложные железосодержащие оксиды с перовскитоподобной структурой, а также сложные железосожержащие оксиды и оксигидроксиды с нанотубулярной и пластинчатой морфологией. Большое внимание будет уделено разработке теории зародышеобразования для случаев, когда размеры критических зародышей, определяемые из термодинамических свойств кристаллического вещества, оказываются сопоставимыми с одним или несколькими значениями параметров элементарной ячейки этого вещества. Важным аспектом работы будет являться рассмотрение случаев, – например, образования наносвитков – при которых известные теории нуклеации не могут быть применены. В ходе работы над проектом планируется провести систематическое экспериментальное и теоретическое исследование влияния структуры предзародышевых кластеров на процессы формирования оксидных наночастиц. Для получения оксидных нанокристаллов различного состава, структуры и морфологии планируется использовать различные методы, а именно, золь-гель метод, гидротермальный синтез, метод разложения соосажденных веществ, синтез в волне горения. Синтез различными методами и в различных условиях позволит в максимальной степени варьировать состав и строение предзародышевых кластеров при получении нанокристаллов. Предзародышевые кластеры и формирующихся из них нанокристаллы будут изучены с использованием широкого комплекса методов, позволяющих изучать изменения в строении вещества. Будут определены размеры и распределение кристаллитов и частиц по размерам, их морфология, взаимное расположение и изменение этих параметров при формировании нанокристаллов в зависимости от предыстории реакционной системы и условий их формирования. Теоретический анализ полученных результатов будет осуществляться на основе концепции определяющего влияния на процессы фазообразования строения и свойств вещества в неавтономном состоянии. Развиваемые авторами представления о влиянии неавтономного состояния вещества уже показали свою эффективность при изучении зародышеобразования в наноразмерных системах в условиях пространственных ограничений. Будет изучено влияние соотношения размеров критического зародыша, пространственных ограничений и одного или нескольких значений параметров элементарной ячейки исследуемого вещества на особенности процессов нуклеации, устойчивость и свойства получаемых оксидных наноструктур и функциональных материалов на их основе.

Ожидаемые результаты

Развитие таких отраслей промышленности, как энергетика, электроника, биотехнология обуславливает необходимость совершенствования материаловедческой базы и разработки новых принципов формирования функциональных материалов. Оксидные материалы и композиты, в том числе, наноматериалы и нанокомпозиты, активно используются в наукоемких областях промышленности, медицины, энергетики и электроники. В свете постоянного роста требований к их рабочим характеристикам, а также появления качественно новых задач, изучение принципов и методов формирования оксидных наночастиц и нанокомпозитов является актуальной проблемой химии наноматериалов. С практической точки зрения возможность управления процессами зародышеобразования дает возможность регулирования структуры, морфологии и функциональных свойств материалов, а также потенциальную возможность обнаружения новых физико-химических эффектов, связанных с процессами нуклеации.

Различными методами, такими как золь-гель метод, гидротермальный синтез, метод разложения соосажденных веществ, синтез в волне горения будут получены нанокристаллы на основе широкого круга железосодержащих сложных оксидов и оксигидроксидов в основном со структурой перовскита и гидросиликатов различного состава с нанотубулярной и пластинчатой морфологией. Это обеспечит максимальную возможность регулирования функциональных свойств материалов и анализа всех наиболее значимых физико-химических факторов, влияющих на формирование оксидных наноструктур и нанокомпозитов.

Для решения указанных задач будет исследовано влияние условий синтеза и предыстории реагентов на строение предзародышевых кластеров. Будет исследовано влияние строения предзародышевых кластеров на особенности формирования, морфологию и строение оксидных нанокристаллов, включая нанокристаллы с тубулярной структурой. Будут определены термодинамические условия образования критического зародыша наносвитков. Будет изучен механизм агрегации и самоорганизации предзародышевых кластеров и наноразмерных зародышей оксидных фаз при формировании оксидных и оксигидроксидных нанокристаллов.

Будет разработана теория зародышеобразования для случаев, когда размеры критических зародышей, определяемые из термодинамических свойств кристаллического вещества, оказываются сопоставимыми с одним или несколькими значениями параметров элементарной ячейки этого вещества, или для случаев, в которых известные теории нуклеации не могут быть применены, например, для случая образования наносвитков.

Разработанная физико-химическая теория зародышеобразования и основанные на ней принципы синтеза определенных наноструктурированных материалов будут востребованы для производства широкого круга перспективных мультифункциональных композитов. В частности, полученные результаты могут быть применены в отечественной ферритовой подотрасли при производстве материалов для нужд гражданской и специальной техники.